（土地资源管理专业论文）泰安市岩溶塌陷机理及监测预报研究.pdf

y 9 0 3 * 2 3 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所里交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研 究嚣取褥翡戚栗。瓣在论文磷究豢闻给予指导、帮耽和徽塞耋娶 贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本 人承接。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规 定，弱意学校保鐾_ j l 醯按要求囱阑家套关郝门或瓿构送交论文纸葳 本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入蠢关数据瘴进行检索，胃 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密蓐应遵守此规定。 论文作者签名：血垢 导师签名：弛 日期：幽f 1 山东农业人学坝l 饽 位论文 中文摘要 岩溶地面塌陷是近代出现的岩溶地质学的分支学科，是一种地质灾 害。随着国民经济的发展，世界各国对岩溶区资源开发f 1 益加强，由此 诱发的岩溶塌陷也r 益频繁，成为岩溶区主要环境地质灾害。据不完全 统计，全球已有十六个国家存在严重的塌陷问题。 岩溶塌陷往往是突然发生的，事前一般没有明显的征兆，因此很难 准确预测岩溶塌陷发生的地点和时间。但是，根据当地的岩溶发育程度， 则可以通过详细的工程地质调查，来评价岩溶塌陷发生的可能性大小， 即岩溶塌陷的稳定性，寻找潜伏的岩溶洞穴，作为防治塌陷及制订工程 建设规划的依据。 2 0 0 3 年山东省泰安市泰山区东羊楼村东北8 0 0 m 处，产生巨大的岩 溶地面塌陷：在即将成熟的麦用中出现一椭圆形塌陷坑，长轴近东西向， 长3 5 m ：短轴近南北向，长2 7 m ，深2 4 m ( 由地面到岩溶水面) ，是山东 省目前为止最大的岩溶塌陷。泰安市岩溶塌陷是我国北方地区较早发生 岩溶塌陷的地区之一。多年来，随着对地下水开采量的逐渐增加，岩溶 塌陷随之加剧。 本文分析了山东省泰安市岩溶地面塌陷的形成历史及现状，从地下 水动态及地质环境监测结果入手，研究得出塌陷主要分布在松散层较薄 的第四系覆盖区，发生时间主要集中于枯水年份或年内枯水期和丰水期 仞。塌陷的产生与发展规模受溶洞、土层和水等多种因素的综合影响， 但过量开采地下水导致地下水动力条件急剧改变或水位大幅度下降是造 成塌陷形成的主导因素：进一步讨论了泰安市岩溶塌陷的形成机理，在 此基础之上对泰安市岩溶塌陷的监测预报及对土地资源管理利用的影响 进行了研究，并根据当地的防治实践，提出了岩溶塌陷防治的对策建议。 在研究方法上，利用物探方法确定隐伏地质构造及地层界限位置和 产状，推断出岩溶发育的空间位置及分布状况，了解地层的稳定性：利 用钻探工作验证地层岩性构造及岩溶发育状况，分析区内岩土体力学指 标与物探解释成果互为补充。 在确定岩溶塌陷形成机理的基础上，在本文的第五、六部分，根据 寨安市岩溶塌陷机理及监铡预报研究 岩溶塌陷的形成机理分别提出了趋势预测及监测防治，查明岩溶塌陷范 围，特别查明东、西羊楼村范围内是否具有潜在的岩溶塌陷存在，以制 止灾情的进一步发生，为分析区内地质灾情的发育规律及下一步综合防 治提供科学依据。 论文的结语与讨论部分分析了本文所取得的一些成果并指出了研究 中的不足和需待改进之处。 关键词：隐伏岩溶；岩溶塌陷：形成机理；监测预报；秦安市 2 山东农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t k a r s tc o l l a p s ei so n eo ft h ec o v e r e dk a r s tg e o l o g i e sa tp r e s e n t a n di t a l s oi sak i n do ft h ed i s a s t e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o u n t r ye c o n o m y , a l l o f t h ec o u n t r y e x p l o r et h er e s o u r c eo f c o v e r e dk a r s ts t r o n g e ra n ds t r o n g e ra n d w h i c hc a u s e dm a n yk a r s tc o l l a p s e s a c c o r d i n gt oi n c o m p l e t es t a t i s t i c ，t h e r e a r es i x t e e nc o u n t r i e sw h oh a v es e r i o u sp r o b l e m sa b o u tk a r s tc o l l a p s e k a r s tc o l l a p s eo c c u r ss u d d e n l ya n di th a sn oe v i d e n ts y m p t o mi n a d v a n c e s oi ti sd i f f i c u l tt of o r e c a s tt h ek a r s tc o l l a p s e st i m ea n dp l a c e o n t h eo t h e rh a n d ，w ec a ne v a l u a t et h ep o s s i b i l i t yo fk a r a tc o l l a p s eb ys u r v e y i n g t h ee n i g e e r i n gg e o l o g yp a r t i c u l a r l y i no t h e rw o r d s ，p r e v e n t i o na n dd r a w i n g b u i l d i n g sl a y o u td e c i d eb yt h es t a b i l i t yo f k a r s tc o l l a p s e t h e r e sal a r g ek a r s tc o l l a p s ei n2 0 0 3i ny a n g l o ut a i a na r e a ，s h a n d o n g p r o v i n c ea n dt h e r ei sab i ge l i p s ek a r s td e l v eo nt h ep o i n to ft h ec o r n f i e l d t k sd e l v eh a s3 5m e t e r sl e n g t ha n d2 7m e t e r sw i d t ha n d2 4m e t e r sd e p t h , s o i ti st h eb i g g e s tk a r s tc o l l a p s ei ns h a n d o n gp r o v i n c ea tp r e s e n t t a i a nc i t yi s o n eo ft h ea r e ai nw h i c hk a r s tc o l l a p s ee a r l i e ro c c u r r e di nc h i n a f o rm a n y y e a r s ，a st h er i s i n go ft a k i n go fu n d e r g r o u n dw a t e r , t h ek a r s tc o l l a p s eh a s b e c o m e m o r es e r i o u s n l i sp a p e rs u m su pp r e s e n ta n dh i s t o r yk a r s tc o l l a p s ei nt a i a n s h a n d o n gp r o v i n c e i tm a i n l ys p r e a d si nt h eq u a t e r n a r ys y s t e mc o v e ra r e a s w h e r et h el o o s e rl a y e r sa r et h i n n e r , u n d e r l y i n go p e nk a r s te a v e sa n dc r a c k s a r eu n d e rt h eq u a t e r n a r ys y s t e m t h e c o l l a p s em a i n l y o c c t u si nt h e l o w - w a t e ry e a r so rd u r i n gt h eb e g i n n i n go ft h ed r ys e a s o na n dr a i ns e a s o ni n ay e a r 日托f o r m a t i o na n dd e v e l o p i n gs c a l e so ft h ec o l l a p s ea r ea f f e c t e db y m a n yf a c t o r s ，s u c ha sk a r s tc a v e s ，s o l aa n dw a t e r , e r e h o w e v e r , t h et a k i n go f t h eu n d e r g r o u n dw a t e rw h i c hc a u s e st h eh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n sc h a n g e d a n dt h ew a t e rl e v e lh i g h l yd e s c e n d e di sal e a d i n gf a c t o rf o rt h ek a r s t c o l l a p s e n l em e c h a n i s mo fk a r s tc o l l a p s ei sd i s c u s s e db a s e do r ll o n g - t e r m m o n i t o r i n gr e s u l t so fg r o u n d w a t e rl e v e la n dg e o l o g i c a le n v i r o n m e n t a tl a s t 3 泰安市岩溶塌陷机理及监铡预报研究 t h em e a s u r e so f c o n t r o la l eg i v e nb ya n a l y z i n gt h ek a r s tc o l l a p s e t h em e t h o do ft h i sr e s e a r c hc o m b i n et h eg e o p h y s i c a le x p l o r a t i o nw i t h t h ed r i l l m g w ed r a wt h ec o n c l u s i o na b o u tg e o l o g i c a lc o n s t r u c t i o na n dt h e s h a p eb yt h eg e o p h y s i c a le x p l o r a t i o ne r e a l s ow eu s et h ed r i l l i n gt ok n o w t h eg r o w t ho f k a r s tc o l l a p s ea n dt oe x p l a i nt h eh a r v e s t t h i sp a p e ra l s op u ts o m em e a s u r e st of o r e c a s tt h ek a r s tc o l l a p s eo nt h e f o u n d a t i o no ft h em e c h a n i s mo fk a r s tc o l l a p s et h r o u g ht h ef i f t ha n ds i x l h s e c t i o n 舢1i na l l ，t h i sp a p e rp u ts o m e9 0 0 dm e 船u r e $ a n ds c i e n c ee v i d e n c e s o nt h ef u t u r ei no r d e rt op r e v e n tt h ek a r s tc o l k l p s e so o o u l t e n c o a tl a s tt h e 也e s i sa n a l y z e sh a r v e s ta n dt h es h o r t c o m i n g k e y w o r d s ：c o v e r e dk a r s t ；k a r s tc o l l a p s e ；m e c h a n i s m ；m o n i t o r i n ga n d f o r e e a s t l a g ；t a i a l lc i t y 4 山东农业大学硕士学位论文 1 引言 随着国民经济的发展，世界各国对岩溶区资源开发日益加强，由此 诱发的岩溶塌陷也日益频繁，成为岩溶区主要环境地质灾害。岩溶塌陷 地质灾害的广泛性和危害性，己引起国际社会的普遍关注。据调查监测， 目前山东省因地下水开采以及工程建设活动引发的环境地质问题主要 有：海( 咸) 水入侵、地下水超采漏斗、地面沉降、地面塌陷、地裂缝、 地下水串层污染等( 图1 一1 ) 。 1 一海( 咸) 水入侵( 箭头为入侵方向) ；2 一深层地下水超采漏斗；3 一浅层地 下水超采漏斗；4 一地面沉降区；5 一地面塌陷；6 一地裂缝 图1 - i 山东省主要环境地质问题现状 f i g 1 1c o n d i t i o no f m a j o r g e o l o g i c a le n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s i n s h a n d o n g p r o v i n c e 泰安位于山东省中部泰山前麓，城区坐落于泰莱断陷盆地西北角、 泰山山前冲洪积扇之上( 图1 2 ) 。区内第四系冲洪积层厚度较小，在 l o 3 0 m 间，泰山山前第四系最厚处约6 0 m ，第四系之下隐伏下古生界寒 武系、奥陶系灰岩，岩溶发育。下古生界仅在城区蒿里山和盆地周边零 星出露，因而岩溶水接受降水直接补给较少，天然条件下以接受泰山火 成岩变质岩裂隙水补给为主，然后向汶河方向径流。岩溶水呈承压状态， 泰安市岩溶塌陷机理及监测预报研究 水位多高于上覆第四系孔隙水水位，因而在径流途中岩溶水向上顶托排 泄于第四系孔隙水中。大汶河是该区地下水的最终排泄场所( 图l - - 2 ) 。 曰t 日2 圈，回 图1 - 2 天然条件下泰安地下水相互关系示意图 f i g i - 2 s k e t c ho f r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n tt y p e so f g r o u n dw a t e ru n d e rn a t u r a l c o n d i t i o n i n t a i a l l 1 岩溶水运动方向：2 一第四系孔隙水运动方向； 3 一裂隙水运动方向：4 两类水转化方向 2 0 0 3 年5 月3 1 日凌晨4 时，山东省泰安市泰山区东羊楼村东北8 0 0 1 t i 处，产生巨大的岩溶地面塌陷：在即将成熟的麦田中出现一椭圆形塌 陷坑，长轴近东西向，长3 5 m ；短轴近南北向，长2 7 m ，深2 4 m ( 由地面 到岩溶水面) ( 图1 3 ) ，塌陷发生时出现惊雷般的轰鸣声“。1 ”。 图1 - 3 东羊楼村岩溶地面塌陷示意图( a ) 平面图；( b ) 剖面图 f i g 1 - 3 s k e t c ho f r e l a t i o n s h i p 1 一第四系亚粘土层。厚1 4 1 5 m ：2 一奥陶系马家沟组2 段3 段灰岩； 3 岩溶水位；4 一地面 6 山东农业大学硕士学位论文 1 1 岩溶塌陷研究综述 随着国民经济的发展，世界各国对岩溶区资源开发日益加强，由此 诱发的岩溶塌陷也日益频繁，成为岩溶区主要环境地质灾害。据不完全 统计，全球已有十六个国家存在严重的塌陷问题。 岩溶地面塌陷是近代出现的岩溶地质学的分支学科，是一种地质灾 害。它的出现，除古岩溶塌陷受控于自然因素外，多数塌陷受人类工程 活动的影响。人为因素导致的塌陷规模大，发展快，危害性强，因此引 起广泛的关注。 岩溶塌陷研究涉及到多类学科，诸如岩溶学、水文地质学、水力学、 土质学、岩石力学、地质环境及人文学等。岩溶塌陷的时间跨度很长， 古则至老的地质时期，新则至今日的每时每刻。空间甚广，地球上有碳 酸盐岩、硫酸盐岩分布的地区，都有可能发生岩溶塌陷。 岩溶塌陷的产生，一方面是使岩溶区的工程设施，如工业与民用建 筑、交通干线，矿山及水利水电设施等遭到破坏，另一方面则是造成岩 溶区严重的水土流失并且恶化环境，例如，美国佛罗里达州w i n t e rp a r k 市1 9 8 1 年发生的直径1 0 6 m 、深3 0 m 的塌陷，使高速公路严重破坏，直 接损失四百万美元；我国湘中煤田塌陷的损失和治理费每年一百多万元； 铁路沿线塌陷的治理每处多达上千万元；在我国南方，岩溶塌陷已使大 量的中小型水库发生严重渗漏甚至报废“”1 。 岩溶塌陷的广泛性和危害性，已引起国际社会的普遍关注，特别是 7 0 年代以来，召开了多次与塌陷有关的国际会议，使世界各国的研究者 有机会交流和商讨解决这一地质灾害问题的经验与方法。例如1 9 7 3 年， 国际工程地质协会在西德汉诺威首次举行“岩溶塌陷与沉陷与可溶 岩有关的工程地质问题”国际讨论会：1 9 8 4 年、1 9 9 1 年举行的第三届、 第四届国际地面沉降学术讨论会，岩溶塌陷被列为主要议题之一；1 9 8 4 、 1 9 8 7 、1 9 8 9 、1 9 9 3 、1 9 9 5 年先后在美国佛罗里达州举行了五届岩溶塌陷 及其环境影响的多学科国际讨论会。 在岩溶塌陷的研究方面，近二十年来，国内外学者都做了大量的工 作，取得了不少的成果。这些研究成果是沿如下思路进行的：通过对塌 皋安市岩溶塌陷机理及监测预报研究 陷的现场调查，研究塌陷的形态特征和分布特征，分析塌陷发育机理及 影响因素，并以此为依据对潜在岩溶塌陷的危险性进行预测评价。例如， 地矿部岩溶所塌陷组1 9 8 6 年完成的中国南方岩溶塌陷研究，较为系 统地分析了我国南方岩溶塌陷的形态、分布及发育特征，并进行了宏观 分区评价工作。铁道部第二勘察设计院于1 9 8 9 年完成了铁路沿线岩溶塌 陷的调查工作，对铁路塌陷的发育规律进行了总结。 我国碳酸盐岩分布甚广，达3 4 0 1 0 k m 2 ，被第四纪松散堆积及少 数屑碎岩覆盖的面积占碳酸盐岩出露面积的7 0 。自5 0 年代以来，由 于人类工程活动的迅速发展，岩溶塌陷也应运而生。又发生的频率与强 度也愈来愈大，危害性也随之增大。我国岩溶塌陷已遍及2 2 个省市自治 区，塌陷达8 0 0 处( 含段、站、区) 以上，塌陷坑超过3 万个，其塌陷 数量之多，损失之大可居世界之首。 在我国，塌陷的土层厚度最大为黔桂线侧岭站附近，其厚度大于 1 0 1 m 。塌陷直径最大者，人为因素致塌的为广西玉林分界圩，长1 6 0 m ， 宽4 0 m ，深7 2 m ；自然因素致塌的四川兴文县长6 9 0 m ，宽4 9 0 m ，深2 0 8 m 。 塌陷坑数最多为湖南思口煤矿6 1 0 0 多个。治理费最多为泰安火车站，达 3 0 0 0 万元以上“。 我国最早描述岩溶塌陷现象的是明代地理学家徐霞客，始于1 6 3 7 年。 但是岩溶塌陷作为地质问题来论述，见于1 9 7 3 年，广东省地质局编写的 隐伏岩溶类型矿区水文地质特征及勘探方法，尔后相继召开了学术讨 论会，铁路部门曾为泰安站、分宜站、南京岔路口、南岭隧道( 3 次) 、 大瑶比隧道等的岩溶塌陷问题举行了7 次研讨会，1 9 8 8 年召开地质路基 年会，又着重研讨了岩溶塌陷问题。全国性重点研讨岩溶塌陷的会议不 少于四次。自1 9 7 3 年以来，共发表岩溶地面塌陷论文1 3 5 篇( 含会上交 流未发表的4 2 篇) 。徐卫国曾在坑道顶部将钻孔堵水后放水，由地面观 测放水与塌陷关系，又在室内作玻璃管中渗漏水致塌的试验后，提出了 真空吸蚀的观点。1 9 7 8 年铁道部第二勘测设计院、1 9 8 3 年地矿部桂林岩 溶研究所相继将岩溶地面塌陷列为正式研究课题。前者侧重于应用实践， 后者侧重基本理论的研究。铁二院经过模拟试验和现场多项试验后，提 出了压强差致塌的观点，深化了对岩溶地面塌陷的理论认识。1 9 9 1 年云 山东农业大学硕士学位论文 南地矿局将云南省重点城市的岩溶塌陷列为研究课题。因此，我国对岩 溶地面塌陷的研究，正在向纵深发展，方* 未艾。 1 2 名词与定义 什么是岩溶地面塌陷，在我国虽说法不一，但其基本含义相近。如 国家标准中解释为“在岩溶地区，由于下部洞穴扩大而导致顶板岩体塌 陷，或上覆土层中的土洞顶板因自然或人为因素失去平衡产生下沉或塌 陷的通称”。这个定义实际上包涵两部分内容，前者指基岩洞穴顶板的坍 塌，后者指洞顶板的塌落。又如项式均等人提出“岩溶塌陷机制是指 由隐伏岩溶洞隙的岩土体覆盖层及赋存其中的水、气所组成的综合体系， 由于所作用的外动力因素的变化而产生的各种破坏其稳定平衡状态的力 学效应”。这一定义是针对塌陷机制而言。再如康彦仁等提出“岩溶洞隙 上方的岩、土体在自然或人为因素作用下引起变形破坏，并在地面形成 塌陷坑( 洞) 的一种岩溶动力地质作用与现象”。这一提法缺少机制的内 容。铁道部颁铁路工程地质岩溶勘测规则中提出“开口岩溶洞隙与 上覆土层( 少数为松软岩层) 中的水、气对盖层发生的力学效应，导致 的地面塌落”。这个定义包含了发生岩溶地面塌陷的基本条件、形成机制、 作用与效果，且文字精练。“。显然岩溶地面塌陷是一个完整的名词，本 文内所用塌陷、岩溶塌陷或地面塌陷等词均与岩溶地面塌陷是同义词， 但与习惯上称岩溶洞穴顶板坍塌为岩溶塌陷，或采空等因素引起的地面 下沉塌落为地面塌陷等词的含义不同。 1 3 塌陷分类 正确的分类能反映学科的发展水平，又能促进学科的发展。 国内分类，多以成因和影响因素为主划分为自然塌陷与人为塌陷； 降雨塌陷与抽水塌陷、振动塌陷；潜蚀塌陷与真空吸蚀塌陷以及瞬发性 塌陷与迟后塌陷等，都嫌不够全面。康彦仁等提出按三级分类，即第一 级按塌陷物质分为土层塌陷与基岩塌陷( 据南方塌陷统计，前者占9 6 1 ，后者占3 9 ) 。第二级按成因及主要诱发因素分为自然塌陷和人为 塌陷，自然塌陷又可分为降雨、天旱、洪水、地震等引起的塌陷；人为 9 泰安市岩溶塌陷机理及监测预报研究 塌陷又可分为排水塌陷、抽水塌陷、蓄水塌陷、荷载塌陷、振动塌陷及 渗水塌陷等。第三级按塌陷坑数n 分为巨型n 1 0 0 ，大型5 0 n 1 0 0 ， 中型1 0 n 5 0 ，小型n 1 0 。这一分类，较前进了一大步，但尚有几点 值得探讨。降雨引起塌陷并非只属自然因索，如果没有人为的场地开挖， 改变地表径流环境，创造了积水、下渗有利条件，降雨未必都能致塌。 其次过量抽取地下水与久晴不雨形成天旱，尔后放水灌溉农田致塌的事 例也不少，因此天旱也并非全属自然因素。至于第三级分类，宣以数量 级划分较为妥当，其次基岩塌陷不应列为岩溶地面塌陷的范畴因此， 在上述分类的基础上，纪万斌在 f f i l 0 0 0 自然一人为塌陷 旱灌溉中量1 0 0 = n 1 0 0 0 捧水塌陷、渗水塌陷 少量1 0 = n 1 0 0 人为塌陷抽水塌陷、荷载塌陷 个别l = 5 0 ( 据由i i 洛姆塔泽，1 9 8 5 改编) 电法勘探：当前，通过观测和地表试验方法，评价岩溶区具体的 房屋和工程面积范围内岩溶塌陷的危险性还有许多困难。这是因为当岩 溶洞穴的埋深大于2 0 3 0 时，还没有可靠的方法来圈出地下岩溶空洞。 因为岩溶洞穴的分布是不连续的，岩溶塌陷也是一个突发的过程， 因而发现岩溶洞穴，估计其形状和大小，确定岩溶发展的动力学，查明 岩溶变形机制、形成时间和大小，是评价一个地区的建筑场地稳定性最 直接的方法。法国等国研制出了专门仪器来发现隐伏的岩溶洞穴并确定 其大小，这就是岩溶洞穴的电法勘探 例如，1 9 8 1 年俄罗斯中部的一个少先队营地附近，相距1 5 0 m 处， 沉积岩层突然陷落，形成了直径5 0 6 0 m ，垂直壁高2 0 2 5 m 的圆形塌 陷。几天之内边坡塌陷形成直径8 0 9 0 m ，深度1 5 2 0 的圆锥形塌陷漏 斗。塌陷是由于早石炭世石膏的白云岩和石灰岩层的岩溶发生的，其上 覆盖着2 0 5 0 m 的中新生代岩石及松散沉积物。 采用电测方法来测量石炭纪石膏及碳酸盐岩层的深度和洞穴分布情 山东农业大学硕士学位论文 况。结果表明，地质条件有利于岩溶沿乌平石灰岩、后伏尔加层石膏白 云岩及石灰岩中的裂隙带发育。经过钻探验证了上述结论。 实践证明，电法勘探可以确定层状岩层的地质构造，确定地电标志， 用来追索和发现有隐伏岩溶的石灰岩中裂隙带和弱化带。地电资料可靠 性及准确性甚佳，值得推广。 5 1 2 岩溶塌陷的预测预报 岩溶地面塌陷的形成由其先决条件所决定，并在产生的早期( 隐伏 土洞的形成过程中) 有明显的前兆：水位较快速下降、单井涌水量减少 和岩溶水出现浑浊。这说明尽管岩溶地面塌陷是瞬间完成的，具有很强 的危害性，但是其形成要经过一定时间的孕育期。为此通过对岩溶水位、 水质监测，可以对岩溶地面塌陷做出较准确预测。 在具产生岩溶地面塌陷的隐伏灰岩区，建立具一定密度的岩溶水监 测网络，对岩溶水位、水质进行监测。当岩溶水位下降至第四系底部附 近时，应加密监测，并及时整理监测资料，做出等水位线平面图，了解 岩溶水运动方向；当岩溶水位快速下降、单井涌水量骤然甚至岩溶水浑 浊时，根据监测资料结果划定隐伏土洞形成范围及可能塌陷区范围。显 然，监测网络密度越大，监测精度越高，划定塌陷区的范围就越准确。 目前利用计算机技术，通过数据库和绘图工具，或通过建立岩溶水g i s 系统，均可以较为准确地预测、预报岩溶地面塌陷。 5 2 岩溶塌陷的趋势预测 5 2 1 省庄地区岩溶塌陷发展趋势预测 塌陷地区h 2 钻孔的基本资料：第四系土层为砂质粉土，厚度2 4 0 8 m ， 取样进行了室内土工试验成果如下：重度y = l s k g m 3 ，比重“s = 2 7 ，含 水量m = 2 2 ，土的压缩模量e s = 4 m p a ，内摩擦角庐2 1 0 ，内聚力c = l o k p a 。 在2 4 0 8 2 7 6 8 m 处发育3 6 m 的溶洞，经在周围钻探探知洞径为5 m ， 勘探期间的静水位为l o m 。 寨安市岩溶塌陷机理及监测预报研究 为对塌陷地区的塌陷趋势进行预测，建立了普氏塌落拱理论、土洞 塌陷高度经验公式、稳定平衡分析预测三个模型，具体计算结果如下。 ( 1 ) 普氏塌落拱理论 普罗托加科诺夫的塌落拱理论认为，土洞塌陷不会无止境地进行， 当塌落到一定程度后会自然停止，这种拱称为塌落拱。塌落拱的拱高 h = 兰，b 一岩洞洞顶宽度之半：f 一土的坚固性系数，对无粘性土， y = t g ，对于粘性土，f = 兰型竺，d 一土的水平压力，可按主动 土压力计算；c 一土的凝聚力；尹一土的内摩擦角。 根据普氏塌落拱理论，当塌落拱高h 大于拱高时，土体是稳定的， 不会产生塌陷，当h 等于拱高时是极限平衡状态，当h 小于拱高时，则 是不稳定的，可能产生塌陷。计算得h 2 的塌落拱高h = 1 4 2 m g + p ，土体是稳定的，不会塌陷；当f = g + p ，土体为极限平衡 状态；当， g + p ，土体不稳定。根据稳定平衡分析计算得： f = 1 3 9 3 2 1 2 k n ，g = 8 5 0 6 2 6 k n ，p = 5 4 3 3 5 9 k n ，f g + p ，所以土体不稳定，可 能会产生塌陷。根据以上三个预测模型的计算结果，也钻孔附近土体不 稳定，可能会产生塌陷。在计算结果的基础上，结合省庄镇塌陷地区的 物探资料，对该地区的塌陷趋势进行了预测，划出了可能产生塌陷的区 域，具体成果见下图( 图5 一1 ) ： 幽5 - 1 危险区划分示意图 通过对本区物探工作成果资料综合分析和野外调查，结合区内水文 泰安市岩溶塌陷机理及监测预报研究 地质特征，将其划分为危险区、潜在危险区、基本稳定区和稳定区四种 类型。 1 危险区：面积约0 2 5 k 舒。主要是村内及周边地区。物探工作在该 区内追索发现岩溶洞系2 5 个，推测土洞1 1 个；其中已塌陷的5 个分布 在该范围内。 该区为推测断层破碎带赋存位置，下边为地下水径流通道，区内岩 溶洞隙强烈发育，第四系覆盖层有粘质砂土、砂砾石组成，厚度5 2 5 m ， 下伏基岩顶界面起伏较大，风化强烈，岩体破碎，工程地质条件差，且 经现场调查区内民房大都出现了不同程度的裂缝，裂缝最宽的达十几厘 米。 推测岩洞、土洞在村内危险区分布情况： 岩洞：东羊楼4 个，西羊楼5 个。 土洞：东羊楼5 个。 2 潜在危险区：面积约1 1 1 k 2 。主要为危险区两侧近距离内的岩溶 洞隙分布区。区内民房局部有裂缝现象发生，在地下水径流通道的边缘， 第四隙覆盖层厚度变化比较大。本次物探工作在该区发现已知塌陷溶洞 1 个( 位于第三系与奥灰接触带位置) ，推测溶洞2 0 个，土洞4 个。 推测岩、土洞在村内潜在危险区分布情况； 岩洞：东羊楼5 个，西羊楼7 个。 土洞：西羊楼3 个。 3 基本稳定区：面积约3 6 k 舻。离地下水径流通道较远，第四系覆 盖层厚度变化不太大，区内岩溶洞隙发育相对较弱，且埋藏较深，一般 在基岩顶板2 3 m 以下。本次物探工作测量追索发现岩溶洞2 3 个 4 稳定区：在第三系与奥灰接触带以北的地段，面积约0 4 1 k d ，该 段灰岩上覆第三系砂岩，第四系厚度最大( 大于3 0 m ) ，本次物探工作测 量未发现溶洞。 5 2 2 泰安市岩溶地面塌陷发展趋势分析 在对省庄地面塌陷进行实测分析的基础上，对泰安市其它地区进行 了相关分析，对泰安市地面塌陷的发展趋势进行了预测。 山东农业大学硕士学位论文 泰城的地面塌陷，多发生于泰城南，大约在化肥厂一泰汽一线以南。 塌陷原因，主要发育于石灰岩分布区，同时，日益严重的过量地抽取地 下水，致使基岩顶板下的石灰岩岩溶发育，形成顶板塌陷，危及地面。 但塌陷分布是有一定规律：首先其分布是呈北北西串珠状分布，与基岩 的构造线方向一致；同时与石灰岩的岩性有关，在旧镇一带，即新泰铁 路三角地带，分布有张夏组鲕状灰岩，其上覆有厚度不足1m 的崮山组 绿色易碎页岩。崮山页岩之下的灰岩岩溶发育，其上有页岩覆盖，填冲 物不足，当地下水位下降时，能将岩溶的冲填物掏空，岩溶顶板又较薄， 承受不了上覆土重压力而塌陷。 泰城基岩走向般为北北西向，故岩层接触带走向也是北北西向呈 串珠状分布，与基岩构造线方向一致，同时与石灰岩岩性有关。分布在 旧镇一带，分布有张夏鲕状灰岩，其上覆盖有厚度不足1 m 崮山组绿色易 碎页岩。崮山页岩之下石灰岩岩溶发育，上部页岩、土层填充不足导致 塌陷。在化肥厂、结庄一带为中奥陶系灰岩、泥灰岩，也具有类似情况。 在泰城，基岩上普遍覆盖有一层残积粘土，粘土相当致密，遇水不易崩 解，室内试验其崩解度几乎为零。尤其在单一灰岩分布区，它往往较密， 实地冲填于溶洞中，一般不易掏空，不易形成地面塌陷。另外上覆土层 的厚度也是影响地面塌陷的条件。一般上覆土层厚度少于1 0 m 易发生塌 陷，即所谓浅埋藏的岩溶类型；若大于1 0 m ，即使溶洞被掏空，上覆土 层也能形成自然拱，据分析计算，该自然拱高度为2 7 m 。同时作为北方 地区岩溶发育强度较弱，大规模的溶洞几乎没有，多见溶沟、溶槽以及 直径不大的溶洞，故地面塌陷面积不大，一般为卜2 m 。同时泰安地区的 基岩水位现已低于3 0 m ，低于基岩顶板许多。故就目前而言，泰安的地 面塌陷不会扩大，其分布地带范围较少，在工程上只要增加建筑物的刚 度，就能避免建筑物的开裂。 泰城，基岩上部普遍覆盖一层残积红粘土，粘土粘性大，遇水不易 崩解，尤其在单一灰岩地区，不易形成地面塌陷。另外，泰城下伏灰岩 埋藏较深，即使灰岩溶洞被掏空，上覆土层也能形成自然拱，不会产生 地面塌陷。同时作为北方地区，岩溶发育强度较弱，大规模溶洞几乎没 有，多为溶沟、溶槽及直径不大的溶洞，故地面塌陷面积不大，一般直 泰安市岩溶塌胳机理及监涮预报研究 径只有1 - 2 m 。就目前地下水开采强度而言，泰安地面塌陷一般不会扩大， 但随着开采强度增加，地下水位进一步下降，具备一定地质条件的地段 有可能发生地面塌陷和地裂缝。 5 3 岩溶塌陷灾害的防治措施 岩溶塌陷灾害防治的基本途径是反其形成之道而行之。岩溶塌陷的 形成条件因其类型不同而异。塌陷造成的灾害情况，则取决于塌陷与人、 物、设施等受灾对象的位置关系。塌陷灾害的防治，分对已发生的塌陷 的减灾处理和对塌陷危险的灾害预防，其途径都是要首先查明塌陷的形 成条件( 包括岩土体结构条件及地下水动力条件) ，塌陷现象或其危情的 存在状况及其危害性，然后采取有针对性的防治措施。 ( 1 ) 预防为主、防治综合、标本兼治。首先从预防入手，加强对岩 溶塌陷的监测、调查和勘探研究，掌握塌陷区地质结构、富水特征及塌 陷规律。划定潜在危险区，制定防治方案，及早采取措施，减少损失。 ( 2 ) 做好地面防治工作。地面防治工作主要是堵塞地面进水口，减 少地表水直接灌入和入渗量，从而减轻地表水与地下水的交替循环，以 及入渗地下数点第四系松散物的冲刷和搬运。 ( 3 ) 调整布局、减少开采、合理开发地下水资源。将地下水供水水 源地开采量调减至允许开采界限内，调整开采井布局或通过修建水利工 程增加对地下水的补给量，控制开采区地下水的下降幅度和下降速度， 逐步使地下水动态恢复到良性循环状态，以便减轻真空吸蚀作用和潜蚀 作用。 ( 4 ) 对己产生的塌陷坑采取适宜的治理方法加以治理。规模小的 浅塌坑可采用混合土或水泥砌石法回填、夯实。规模小的深塌坑，可 采用预制棚封闭法治理。即用预制好的棚板或现场浇注棚板，搭盖在清 基后的岩层顶板，然后填土封闭。规模较大的塌坑，往往反映其下岩 溶发育强烈，一般很难根治。建议修筑围堰，做好保护区，既不破坏地 下地质结构，又能在丰水期接受大气降水，增加对地下水的补给。 ( 5 ) 尽量避免在易发生岩溶塌陷地点修建重要建筑物。若无法避开 时，应做必要的地基处理。 山东农业大学硕士学位论文 ( 6 ) 在岩溶发育地区采矿时要尽量减小排水量：尽量避开岩溶水， 防止岩溶水大量涌入矿坑，造成地面塌陷。当无法避开时，可以用注浆 堵水方法，堵塞岩溶通道“”。 5 4 岩溶塌陷灾害对土地管理利用的影响 5 4 1 岩溶塌陷影响正常的土地管理工作 ( 1 ) 根据前期调查和物探工作情况，东羊楼一带地下水开采量一般 在1 5 0 0 m 3 d ，农灌期最高达4 2 万m 3 d ，塌陷发生以后结合实地情况， 设置水厂的设想被取消，制定了一系列控制地下水开采量的措施，泰山 区国土资源局对整个省庄镇的规划进行了调整。 ( 2 ) 2 0 0 4 年7 月1 0 日，泰安市泰山区人民政府就“省庄镇东羊楼、 羊西、羊东三个村因地质灾害搬迁选址问题”召开专门会议。 ( 3 ) 在城市规划和建设项目旌工以前，开展详细的地质灾害勘查评 价工作，划定可能塌陷区范围，将城市建筑物和交通设施等人类工程避 开塌陷区。 5 4 2 岩溶塌陷使得工程建筑物产生不均匀沉降，加大了土地 利用管理的难度 根据对泰安市岩溶塌陷的调查结果，发现塌陷点附近普遍伴生有地 面局部变形引起的地面开裂及地面局部下沉，地面建筑物墙体产生垂直 和水平裂缝，这就造成地面变形，使得工程建筑物易产生不均匀沉降。 此次调查结合物探的成果测定了地质灾害危险区、潜在危险区，指 出危险区是当前防灾工作的重中之重，分布其问的村民应及时避让和搬 迁，对于潜在危险区当前应急促加强监测，严格控制开采地下水并禁止 兴建建筑物，而且后羊楼村村北第三系分布区应作为今后村庄发展规划 的建设方向。 此次塌陷给土地利用管理带来了很大的难度，它牵动了省、市、区、 镇各级领导的心，国土资源部对此灾情十分关心，省厅、市政府在泰安 市多次召开论证会，并筹措部分资金安排了物探勘察工作。同时，市、 泰安市岩溶塌陷机理及监测预报研究 区、镇各级政府加强了地质灾害防治工作，建立完善了汛期值班制度、 险情巡查制度、地质灾害快报制度，成立了突击抢险小分队；宣传到村 到户，发放了“工作明白卡”、“避险明白卡”，并将地质灾害防治工作责 任落实到村、户、人；制定了防灾预案。 5 4 3 岩溶塌陷影响土地资源的可持续开发利用，迫切需要调 整土地规划管理 从泰安市省庄镇东羊楼村附近塌陷区岩溶水水位等值线图( 见图 4 - 1 4 2 ) 发现该处已围绕塌陷形成低水位区( 降落漏斗) ，表层水直接 向下灌入。由于近年来这些地区抽汲岩溶地下水量的剧增，地下水位骤 降，加之城市地面建筑荷载增大，城市岩溶塌陷灾害事件时有发生，造 成工厂、住宅、学校等房屋建筑地基失稳，建筑遭到破坏，地下管道受 损以及道路交通、供水、供电中断等事故。 针对2 0 0 3 年发生的地质灾害，泰山区政府决定对村庄实施搬迁，重 新选址规划。新村规划共需土地6 1 1 3 7 6 h 寸，其中农用地5 8 9 3 7 6h d ， 而原村庄占地1 0 6 4 6h m 2 ，这样可节约土地4 7 5 2 2 4h m 2 ，并且该镇及时 补划基本农田，能够确保该镇耕地及基本农田面积的稳定。同时，可以 复垦土地1 0 1 1 3 h m ，诤增耕地4 8 0 8 8 6h z ，复垦后的土地排灌设施齐 全，交通方便，土地质量可以达到中产田水平，保证了该镇粮食产量的 稳中有增：并且对植被无影响，对林业规划无影响，改变了以往村庄内 部脏乱差的形象，真正改善了农民的生活环境，提高了居民生活质量。 6 结语与讨论 岩溶塌陷的发生是一漫长的地质变迁过程，随着人类活动范围的扩 大，岩溶塌陷从一种地质营力逐渐表现为一种工程地质灾害。塌陷的发 生不仅对人们正常的经济活动造成影响，尤其严重的是恶化岩溶区脆弱 的地质环境。为有效地指导人类的经济活动，缓解人类经济活动对环境 的破坏，塌陷的形成机理及监测预报显得十分重要。通过全文的论述与 分析，本文得到以下一些初步结论： 山东农业大学硕士学位论文 ( 一) 从泰安市岩溶塌陷灾害的发育特征可以看出，该岩溶塌陷源于隐伏 灰岩岩溶洞穴发育和地下水下降“”，人为无限制的开采地下水是此次塌 陷的主要原因。 ( 二) 岩溶塌陷地质灾害的危害性特征主要表现在岩溶塌陷直接造成人 民的生命财产损失，造成工程建设施工困难，危害建筑物安全。 ( 三) 岩溶塌陷灾害的形成机理主要是潜蚀作用和真空吸蚀作用。 ( 四) 加强塌陷区监测预报与危险区的划分。在塌陷区设立监测点，对本 地区地下水运动规律进行长期的监测研究，对地下水位进行控制。通过 岩溶水动态与塌陷变化的监测，找出塌陷规律，将研究区危险度划分为 四级，即岩溶塌陷危险区、潜在危险区、基本稳定区及稳定区，建立快 速的灾害反应网络，做到一有事故，迅速反应，使塌陷危害损失降至最 低程度n 力。 尽管取得了上述一些成果，但由于资料的缺乏以及作者对岩溶塌陷 现象本身认知水平的限制，本文亦存在一些问题和不足，需要在以后的 研究中继续解决和完善，具体如下： ( 1 ) 由于泰安市历史上少有岩溶塌陷发生，有关此方面的研究不多， 特别是系统研究更少，受此限制，本文的研究只能是局限于东羊楼村这 样一个较小的区域，只能通过对这一区域的分析扩大到对整个泰安市， 所以本研究在一定程度上倾向于定性或半定量研究。 ( 2 ) 由于时间和资料限制，本文只是对泰安市岩溶塌陷机理及监测 预报进行了详尽研究，对于易发程度评价、对土地资源开发利用的影响 等方面几乎没有涉及，这些在以后的研究中也应进一步充实。 寨安市岩溶塌陷机理及监